高速火车TD-SCDMA信号穿透性能研究

    本文通过展示系统的测试结果, 对2GHz频段下TD-SCDMA信号对高速火车(CRH1)的穿透性能予以分析， 揭示出穿透损耗随电波相对于火车的掠射角减小而增大的规律，特别是对于小掠射角(小于10度)时,损耗随掠射角的减小而迅速增大。测试结果表明，高速火车(CRH1)相对于普通火车,其穿透损耗会高出约15 dB左右。这些研究结果为高速铁路的TD-SCDMA网络设计和优化提供了重要依据。

　　1 引言

　　自TD-SCDMA网络开工建设以来，各厂家和运营商一起面临着如何在高速移动区域(如高速公路、铁路)内进行TD-SCDMA网络的建设和优化的问题。随着中国铁路正式实施大面积提速，列车时速将达到200Km/h以上350Km/h，极大程度影响了TD-SCDMA网络的性能，优化工作显得十分必要和迫切。因此充分进行高速移动方面的研究和方案验证，从而找到适当有效的优化方案，成为打造TD-SCDMA精品网络建的重要前提和必要条件。

　　CRH1型“和谐号”动车组通常包括两侧各一个车头在内共的8个车厢。列车为全封闭车厢列车，车身由铝合金和不锈钢材料组成，车窗采用特殊材质制成,密封性能很好，因此相对于普通列车，列车车厢电波的穿透损耗要高出很多。而车厢的穿透损耗直接会影响车厢内的终端的接受信号强度，从而影响到铁路沿线小区的覆盖范围。 采用典型的电波传播模型(如Ericsson9999模型)，可以计算出小区半径与穿透损耗的关系。如图1所示。 我们可以看到， 随着车厢穿透损耗的增加， 小区覆盖半径将会明显的缩小。从中我们可以得到结论，车厢穿透损耗是影响TD-SCDMA信号在火车车厢内覆盖的重要因素，在进行无线网络设计和优化时，必须仔细考虑穿透损耗的取值以及对网络性能带来的影响。

Figure 1 车厢穿透损耗对小区覆盖距离的影响

　　2 高速火车车厢的穿透损耗

　　根据以往的经验和测试数据表明, 普通公路上汽车的穿透损耗大致在5~8dB, 普通火车列车车厢的穿透损耗大致在10~15dB左右.本文将给出我们在广深铁路上测试得到的CRH1火车车厢穿透损耗数值。

　　2.1 穿透损耗的测试

　　在广州到深圳的高速铁路的一段, 紧邻铁路边上有一条公路,这为我们测试创造了良好的条件。首先， 我们运用TD-SCDMA Scanner测试动车组内的PCCPCH信号强度。然后，又在和铁路线平行并紧靠铁路的公路上测量相同小区的PCCPCH信号强度。运用GPS记录下测试信号点对应的位置，从而记录下测试的轨迹。 通过对比车厢内外得到的信号的对比，我们便能得到火车的穿透损耗。典型的信号测试对比如图2所示。

图2 车厢内外的信号强度(RSCP)对比

　　由图二可以看出，车厢内的信号强度(RSCP-in)明显低于车厢外的信号强度(RSCP-out)。由于火车运动速度远大于测试汽车的速度，火车内信号的测量数据点数远远少于车厢外的汽车所得到的测量数据点数。通过对数据的插值等数学处理，我们可以找到车厢内的测试点对应的车厢外的数据点，从而得到穿透损耗的测量值。

　　另外，我们还在火车车厢内的不同位置，进行了测量，以模拟手机在车厢内靠近基站和 远离基站的使用场景，从而反映列车穿透损耗与不同位置的依赖关系。

　　根据基站所处的位置和测试点的位置，我们可以计算得到电波与火车形成的掠射角， 掠射角的定义如图3所示：

图 3 基站与车厢掠射角示意图

　　2.2 测试结果

　　经过对多组数据的平均处理，我们得到了高速火车CRH1车厢的穿透损耗与掠射角的关系，测试结果如图4所示：

图 4 CRH1动车组列车车厢穿透损耗曲线

　　其中，掠射角(Grazing angle)指的是基站信号与列车车体的夹角。

　　通过对于广深高速公路沿线TD-SCDMA网络信号的测试和分析,我们可以得到关于新型动车组车厢的穿透损耗如下结论。

　　1) 随着掠射角的减小，列车车厢穿透损耗增加幅度增大。从图4中可以看出，当掠射角小于10度时， 列车车厢穿透损耗比30度时将额外增加10dB以上，当掠射角小于5度时，列车车厢穿透损耗比30度时将额外增加15dB以上。

　　2) 当掠射角在10度以内，列车穿透损耗增加幅度明显加快，所以在网络规划设计的时候，我们建议实际的掠射角应该控制在10度以上。

　　3) 列车车厢内不同位置的穿透损耗相差较大。在掠射角大于10度的情况下，在车厢两侧(近基站侧和远离基站侧)得到的车厢穿透损耗差别5dB以上。当掠射角较小时，车厢两侧的穿透损耗略为接近。

　　4) 根据测试数据，CRH1动车车厢整体穿透损耗平均值在20dB以上。

　　2.3 普通列车车厢穿透损耗的测量

　　我们将普通慢车的测试数据和“和谐号”动车组数据进行比较，根据扫频仪信号强度对比，我们可以计算得到普通列车的车厢穿透损耗和动车组车厢的差别。图5为普通列车和CRH1车厢内信号的对比。

图5 普通列车和动车组车内接收信号的对比

　　由图5可见，普通列车车厢内信号强度比动车组内的信号高约15dB左右。通过多组数据的平滑处理，我们也得到动车组穿透损耗与普通列车穿透损耗的差值与掠射角的关系(如图6所示),明确了动车组与普通列车的穿透损耗差随掠射角的增大而缓慢减小，并再次印证动车组的穿透损耗比普通列车的穿透损耗平均大约15dB。

图6 动车组与普通列车车厢穿透损耗差值与掠射角关系

　　3 小结

　　通过对广深铁路上动车组CRH1车厢以及普通列车穿透损耗的测试，得到了穿透损耗的测试结果。测量揭示了动车组穿透损耗与电波入射列车的角度相关，随着射线与火车的掠射角的减小穿透损耗增大而增大的规律。动车组列车的穿透损耗因其良好的密封特性，比普通列车的穿透损耗大约15dB。

　　爱立信公司借助GSM和WCDMA网络建设和优化方面的积累的丰富经验，抓住TD-SCDMA网络设计和优化中的关键问题，深入分析研究，特别是对于一些具有挑战性的特殊无线环境， 如高速铁路的网络建设和优化，开展了大量卓有成效的研究，并积极利用这些研究结果指导高速铁路的TD-SCDMA网络的设计和优化，使高速铁路TD-SCDMA网络性能达到了GSM的性能。

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